В прошлых статьях мы уже затрагивали темы, связанные с кислотно-основными характеристиками растворов. В этой статье вы подробнее узнаете о водородном показателе и почему диапазон принимаемых им значений лежит в интервале от 1 до 14.
Начнем с маленькой исторической справки. Первым, кто ввел понятие водородного показателя, был датский химик Сёрен Петер Лауриц Сёренсен. В химии водородный показатель принято обозначать «pH». Расшифровка этой аббревиатуры на латинском языке следующая: pondus hydrogenii или potentia hydrogenii, что в переводе на русский язык означает соответственно «количество водорода» и «сила водорода».
Для понимания того, что же из себя представляет водородный показатель, рассмотрим следующий пример. Как известно, вода является очень слабым электролитом, поэтому ей, как и всем электролитам, свойственна диссоциация. Напомним, что диссоциация – это процесс, в котором молекулы растворенного вещества распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы: катионы и анионы.
Уравнение диссоциации воды выглядит следующий образом (1):
Из этого следует, что уравнение для нахождения константы диссоциации можно записать в следующем виде:
При этом нужно помнить, что поскольку вода по своей природе является очень слабым электролитом, концентрация непродиссоциированных молекул практически не изменяется, а значит в уравнении константы диссоциации воды (2) концентрацию H20
Основываясь на справочных данных, молярная концентрация воды равна 55,56 моль/л, а константа диссоциации - 1,8⋅10−16 моль/л, взятые при температуре 25⁰С. Теперь подставим эти значения в уравнение (3) и проведем вычисления (3.1).
В водном растворе концентрация ионов H+ равна концентрации OH-, а следовательно, принимает значение √10 в -14 моль/л или же 10 в -7 моль/л. В дальнейшем при расчёте водородного показателя используется уравнение (4). 10 - 14
Из этого выражения видно, что водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму от концентрации ионов водорода. Из решения этого уравнения следует, что для воды pH = 7
Также расчет значения pH возможно произвести другим способом (5), принцип которого основан на нахождении отрицательного десятичного логарифма от концентрации гидроксид ионов:
и следствии из выражения (3.1):
Тогда из уравнений (5) и (6) получаем, что значение pH можно рассчитать следующим образом:
Рассмотрим другой пример. При добавлении кислоты концентрация гидроксид анионов уменьшается. Это явление также связано с процессом диссоциации растворенного вещества, в результате которого происходит увеличение количества катионов водорода. Используя уравнение (4) при расчёте, следует, что величина водородного показателя уменьшается и принимает значение pH<7
Если же рассмотреть пример с раствором сильного основания, то, напротив, концентрация гидроксид ионов возрастает. Тогда исходя из уравнений (5) и (7), видим, что значение водородного показателя увеличивается pH>7
Давайте теперь поговорим про способы определения pH. Вы уже знаете, что приблизительное значение показателя кислотности среды, можно определить при помощи различных индикаторов. Однако существует метод, который позволяет установить более точное значение водородного показателя. Этот метод называется pH-метрия. В отличие от индикаторного способа, который скорее можно отнести к качественному анализу, этот метод служит для определения количественной характеристики.
Прибор, благодаря которому можно определить водородный показатель, называется pH-метр. Первым, кто создал прототип, а впоследствии и само устройство, схожее с современным, был американский химик и изобретатель Арнольд Орвилл Бекман. Основываясь на истории, созданный прототип изначально был выполнен по заказу компании Sunkist Growers. Компании был необходим прибор, который мог бы быстро и точно определять кислотность среды на производственной линии. После успеха первого рабочего устройства компания Sunkist Growers запросила ещё один такой же аналитический прибор. После этого Бекман увидел перспективность в разработанном им технологическом решении и после доработок, в 1934 году, зарегистрировал патент на устройство (рис. 1).